基于RBF的MEMS加速度計(jì)溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

李慶春，黃 月

（中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

0 引 言

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）加速度計(jì)以其重量輕、成本低、功耗低、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，在飛行控制、機(jī)器人、振動(dòng)檢測(cè)等眾多工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［1～3］。由于MEMS加速度計(jì)通常由半導(dǎo)體材料、電容等材料制成，導(dǎo)致工作環(huán)境的溫度變化將直接影響加速度計(jì)測(cè)量精度。

眾多學(xué)者對(duì)加速度計(jì)等MEMS 產(chǎn)品的溫度特性開展研究。由于MEMS 加速度計(jì)的尺寸小，加熱所需能量較少，熱輻射以及熱對(duì)流少，熱傳遞速率加快，容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速均勻受熱［4］。鄧圭玲等人［5］為了降低噴射點(diǎn)膠閥中膠液的溫度波動(dòng)，以STM32 為主控制器設(shè)計(jì)PID溫度控制器，試驗(yàn)表明模糊PID溫控系統(tǒng)有更好的抗干擾能力；劉慶愛等人［6］通過研究發(fā)現(xiàn)，MEMS 加速度計(jì)的零偏穩(wěn)定性和重復(fù)性等指標(biāo)與陀螺溫度直接相關(guān)，MEMS 加速度計(jì)零偏主要由溫度漂移造成的；劉董等人［7］為滿足標(biāo)準(zhǔn)電阻量值傳遞時(shí)苛刻的溫度要求，基于模糊PID算法設(shè)計(jì)出精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的控溫箱；黃嶸［8］設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的電熱制冷器（thermoelectric cooler，TEC）溫度控制方案；葉廷東等人［9］基于近似樹更新的快速算法，對(duì)傳感信息在尺度空間進(jìn)行快速分解，可在線計(jì)算的傳感信息動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)補(bǔ)償，減小MEMS氣敏傳感的響應(yīng)時(shí)間；沈曉衛(wèi)等人［10］提出一種針對(duì)MEMS加速度計(jì)自適應(yīng)分段溫度補(bǔ)償方法。

本文基于MPU6050的MEMS加速度計(jì)，設(shè)計(jì)一種針對(duì)嵌入式傳感器的溫度控制系統(tǒng)，使加速度計(jì)在穩(wěn)定溫度下工作，提高傳感器輸出精度。對(duì)MEMS 加速度計(jì)在機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用有著重要意義。

1 溫度控制系統(tǒng)工作原理

溫度控制方案如圖1 所示，溫度調(diào)節(jié)與控制主要通過溫度傳感器、微控制器、脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）電路、三極管、加熱電阻絲等器件實(shí)現(xiàn)。溫度傳感器實(shí)時(shí)采集MEMS 加速度計(jì)的溫度數(shù)據(jù)，通過晶體管—晶體管邏輯（transistor-transistor logic，TTL）電路接口反饋給STM32的微控制器；微控制器結(jié)合目標(biāo)溫度和實(shí)際溫度數(shù)據(jù)，通過PID控制算法［11～13］，生成控制指令；通過PWM驅(qū)動(dòng)三極管間接控制TEC，實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS的溫度加熱和制冷，進(jìn)而達(dá)到控制溫度的功能。

圖1 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主控制器選用STM32F103C8T6，該芯片是ARM推出的功能強(qiáng)大的32位的M0 微處理器，擁有較低功耗和相對(duì)較高的運(yùn)算能力，主頻可達(dá)72 MHz，芯片具有2 路12位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog to digital converter，ADC），1 路SPI，4 路UART 串口，2 路定時(shí)器等硬件資源，適用于電機(jī)控制和工業(yè)控制等，可通過Boot1 和Boot2 設(shè)置控制軟件啟動(dòng)方式。利用STM32的定時(shí)器，配置PWM模式，對(duì)三極管進(jìn)行控制。

2.2 MEMS加速度計(jì)

系統(tǒng)選用一種功耗小、體積小的差動(dòng)電容式數(shù)字輸出型加速度傳感器，集成三軸加速度計(jì)和溫度傳感器，數(shù)據(jù)更新頻率最快可達(dá)200 Hz，具有TTL、I2C等通信接口，能夠輸出三軸加速度和角速度信息。為了更準(zhǔn)確采集MEMS工作溫度，盡量將溫度傳感器靠近加速度計(jì)排布。該溫度傳感器靈敏度溫度變化為0.01 ℃，測(cè)量范圍-180～180 ℃，工作電壓3～5 V，工作電流9 mA。

2.3 數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計(jì)

為使用上位機(jī)采集MEMS 數(shù)據(jù)，STM32 使用USB-TTL串口通信方式，將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到PC。STM32通過I2C接收MEMS 加速度計(jì)的數(shù)據(jù)，解析數(shù)據(jù)后再將數(shù)據(jù)按上述協(xié)議組包，并發(fā)送至上位機(jī)。

首先將STM32 為處理器與MEMS 加速度計(jì)通信方式設(shè)置為I2C傳輸模式，將PS引腳與GND連接，置為低電平。其次，將RC引腳連接SCL，DT 引腳連接SDA，INT／OUT 引腳連接USART。

數(shù)據(jù)幀為二進(jìn)制字節(jié)編碼，從起始端到終端依次為幀頭、功能碼、數(shù)據(jù)長度、有效數(shù)據(jù)以及校驗(yàn)和，校驗(yàn)采用CRC校驗(yàn)，增加數(shù)據(jù)傳輸可靠性。如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)通信格式

例如MEMS 加速度計(jì)數(shù)據(jù)為：A4，03，12，00，07，F(xiàn)A，0E，09，0B，F(xiàn)E，F(xiàn)E，00，04，00，03，5B，則有效數(shù)據(jù)解析為：

x軸加速度數(shù)據(jù)：ACCX＝（0x00?8）｜0x07 ＝7

y軸加速度數(shù)據(jù)：ACCY＝（0xFA?8）｜0x0E ＝64 014

z軸加速度數(shù)據(jù)：ACCZ＝（0x09?8）｜0x0B ＝2 315

x軸角加速度數(shù)據(jù)：GYROX＝（0xFE?8）｜0xFE ＝65 278

y軸角加速度數(shù)據(jù)：GYROY＝（0x00?8）｜0x04 ＝4

z軸角加速度數(shù)據(jù)：GYROZ＝（0x00?8）｜0x03 ＝3

3 溫控系統(tǒng)建模

3.1 數(shù)學(xué)模型

建立被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型，采樣時(shí)間T ＝350 s，系統(tǒng)延時(shí)T1＝80 s，輸入指令為單位階躍信號(hào)。建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

對(duì)溫度控制系統(tǒng)建模，如圖2所示。

圖2 溫度控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型仿真框圖

溫度控制的PID控制算法，采用閉環(huán)負(fù)反饋控制回路，穩(wěn)態(tài)溫度誤差小。STM32 讀取溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)，通過PWM驅(qū)動(dòng)三極管間接控制TEC 的工作狀態(tài)；根據(jù)預(yù)設(shè)的PID控制算法，對(duì)MEMS加速度計(jì)的環(huán)境溫度實(shí)現(xiàn)有效控制，如圖3所示。

圖3 溫度控制系統(tǒng)工作流程

3.2 徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器

PID算法根據(jù)被控對(duì)象的不同特性，對(duì)微分、積分、比例等控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)響應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)誤差、超調(diào)量等達(dá)到最優(yōu)，改善控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能［11～13］。

徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（radial basis function neural network，RBFNN）是一種單隱層、以函數(shù)逼近為基礎(chǔ)的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。隨著研究日漸成熟，以其結(jié)構(gòu)簡單、非線性逼近能力強(qiáng)以及良好的推廣能力。

如圖4所示，在傳統(tǒng)RBF控制器的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)以當(dāng)前采樣溫度和期望溫度的差值量e 和差值變化率dt作為輸入，以Kp、Ki、Kd的值作為輸出的改進(jìn)RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器［10］，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)，動(dòng)態(tài)調(diào)整高斯隸屬函數(shù)的中心值和寬度、輸出層權(quán)值等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)嵌入式溫度控制系統(tǒng)的自適應(yīng)控制

圖4 基于改進(jìn)RBF-PID的溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用Keil完成RBF算法和PID等主控程序的開發(fā)，部分代碼如下：2）；

｝

dy ＝y(tǒng)；

error ＝y(tǒng)d-ty；

kp ＝kp_1 ＋etaP*error*dy*xc［1］；

kd ＝kd_1 ＋etaD*error*dy*xc［2］；

kp ＝ki_1 ＋etaI*error*dy*xc［3］。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

4.1 溫度控制工作流程

本文裝置中STM32 為主控制器，溫度傳感器為GY25T。程序設(shè)計(jì)由系統(tǒng)初始化、溫度數(shù)據(jù)采集、PID控制、加熱裝置等部分構(gòu)成。

系統(tǒng)初始化是對(duì)控制器上電過程中對(duì)MCU主頻、串口通信波特率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，STM32 與溫度傳感器采用TTL電路串口通信，波特率9 600，系統(tǒng)上電初始化后，溫度傳感器將數(shù)據(jù)按10 ms周期發(fā)送給STM32主控。經(jīng)過RBFPID控制算法模塊的數(shù)據(jù)處理，生成加熱裝置控制指令，溫度傳感器不間斷采集溫度數(shù)據(jù)。因此，溫度控制系統(tǒng)形成閉環(huán)控制。系統(tǒng)流程如圖5所示。

圖5 基于RBFNN的PID流程

4.2 溫度控制算法仿真與分析

根據(jù)上述學(xué)習(xí)方法，建立三輸入／輸出的RBFNN 控制模型，將Pi、Ii、Di作為輸入，Pi＋1、Ii＋1、Di＋1 作為輸出，各層節(jié)點(diǎn)數(shù)N ＝5。使用Keil uVision5 為開發(fā)環(huán)境，編寫主控嵌入式代碼和PID控制代碼。通過MATLAB開發(fā)上位機(jī)GUI程序，并完成濾波等數(shù)據(jù)處理。如圖6 所示，目標(biāo)溫度為30 ℃，圖中曲線為目標(biāo)溫度以及經(jīng)典PID、BP-PID、RBFPID等3種不同PID控制算法的溫度曲線。

圖6 3 種PID整定算法仿真結(jié)果

選取響應(yīng)時(shí)間、峰值時(shí)間、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差等指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

表2 3 種控制方式性能指標(biāo)對(duì)比

對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在當(dāng)前參數(shù)設(shè)置下的結(jié)果可以看出：1）經(jīng)典PID具有超調(diào)量最大、穩(wěn)態(tài)時(shí)間長、穩(wěn)態(tài)誤差大等性能不足；2）RBF-PID 相對(duì)于經(jīng)典PID，超調(diào)量降低43%，調(diào)整時(shí)間降低32.8%；3）改進(jìn)RBF-PID相對(duì)于RBFPID，性能進(jìn)一步提升，超調(diào)量降低41.3%，調(diào)整時(shí)間減低52.3%；4）穩(wěn)態(tài)誤差方面，3種算法均能滿足溫度控制系統(tǒng)性能要求；5）相比較于經(jīng)典PID和RBF-PID、改進(jìn)RBF-PID在上述指標(biāo)上均為最優(yōu)。

5 結(jié) 論

本文基于STM32為主控微處理器，設(shè)計(jì)一種針對(duì)嵌入式的溫度控制系統(tǒng)，用于控制MPU6050 的工作溫度，以減小MEMS加速度計(jì)誤差。通過試驗(yàn)，對(duì)不同PID 算法的溫度采集和數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)對(duì)溫度的控制精度約為0.04℃，達(dá)到了較高地控制性能要求，對(duì)加速度計(jì)在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作具有對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有一定的價(jià)值。